La RF à PHIL Pierre Lepercq pour l’équipe Phil Journée PHILle 30 janvier 2013

En souvenir de Jacques Rodier

Sommaire 1/Vue d’ensemble 2/Le klystron 3/Les coupleurs de mesure RF 4/L’électronique dédiée 5/L’isolateur 6/Les mesures RF préliminaires 7/Qualification de la source de puissance RF 8/Evolution /Conclusion Journée PHILle 30 janvier 2013

1/A quoi ça ressemble? Modulateur Cuve à huile Klys tro n Préampli Pilote 3GHz 5dBm 200 à 300 W C1 Timing 75MHz vers laser Fenetre rf 1 VPA C3 C2 Pik Prk Uk 220kV Ik 200A Alim DC 20KV Cm RF1 Isolateur Guide d’onde WR284 pressurisé SF6 Charge adaptée Guide d’onde WR284 environ 10mètres Cm RF2 Fenetre rf 2 Pic Prc C4 C5 Canon Bestiaire: -CmRF Coupleur de mesure RF en guide d’onde -Cx: boîte de conversion RF-tension -D1: diode de détection -isolateur: système de protection du klystron par l’onde réfléchie du canon Signaux renvoyés en salle de contrôle: -Pik, Prk,Pic,Prc,Ploop,VPA -Uk, Ik D1 Ploop Journée PHILle 30 janvier 2013

1/Vue d’ensemble Journée PHILle 30 janvier 2013

1/Pour quoi faire? UA t 3µs 5µs Uk~200kV VPA~300W Pik~10MW Prc UA t Pic Ez 3µs HT et Sortie RF Klystron Puissance Pic Prc et champ électrique Ez dans le canon. Ces signaux sont l’enveloppe des signaux 3GHz Tension Modulateur utile entre 160 et 200kV Largeur Haute Tension 5µsec Fréquence de répétition 5Hz Puissance d’entrée klystron entre 200 et 350W Largeur impulsion RF 3µsec Puissance RF pour 5,5MeV 7MW (canon AlphaX) Journée PHILle 30 janvier 2013

2/Le klystron Journée PHILle 30 janvier 2013

2/Le Klystron Journée PHILle 30 janvier 2013

3/Les coupleurs de mesure RF Les coupleurs de mesure RF en guide d’onde exemple le coupleur du canon Des boucles affleurant l’intérieur du guide donnent accés aux puissances incidentes et réfléchies Avec un découplage spécifié (ici 64dB sur Pic et 54db sur Prc) Journée PHILle 30 janvier 2013

4/L’électronique dédiée Le pilote RF délivre le timing laser 75MHz et le signal 3GHz qui « drive » le préampli Préampli 350W Nuclétudes Qui « drive le klystron » Les boîtes C qui convertissent les signaux RF en tension Journée PHILle 30 janvier 2013

4/L’électronique dédiée Synoptique du pilote 3GHz « Home made » Journée PHILle 30 janvier 2013

5/L’isolateur Type « Four port phase shifter » réalisé par la société Ferrite (USA) Vers le klystron Vers le canon Charge de retourCharge de délestage Aimants permanents Journée PHILle 30 janvier 2013

5/L’isolateur Mesures RF à bas niveau analyseur de réseaux étalonné à 12 termes d’erreurs Pertes d’insertion 0,3dB Isolation 30dB Journée PHILle 30 janvier 2013

5/L’isolateur Déplacement du court circuit par rapport à une position arbitraire Maintenant on monte un court-circuit sur la voie de sortie du canon et on le Teste à l’analyseur de réseaux I S O L A T I O N (dB ) L’isolation est toujours <-30dB quelque soit la phase de l’onde de retour, le klystron est bien protégé Journée PHILle 30 janvier 2013

5/L’isolateur Il faut le pousser dans ses retranchements : Ce qui signifie de le tester en court-circuit au maximum de puissance RF Montage et implantation de sondes de température Journée PHILle 30 janvier 2013 CC

6/Les mesures RF préliminaires Réponse: il faut atténuer ! Klys tro n C2 Pik Cm RF1 atténuateur Charge adaptée VVV23PikPrkPicPrc Couplage Atténuateur5,4010,420,6 câble102,93,10 Total (dB)75,456,977,574,6 cable Nécessité de connaître précisément ces valeurs (Très difficiles à mesurer) Problème: comment mesurer 10MW crête avec un système capable de mesurer 200mW crête ? Journée PHILle 30 janvier 2013

6/Les mesures RF préliminaires Il faut aussi étalonner les boîtes C à 3GHz Filtre 3GHz Diode détectrice Amplification adaptation Prf 3GHz (mW) Tension impulsionnelle Synoptique d’une boîte C « made in Lal » Journée PHILle 30 janvier 2013

7/Qualification de la source de puissance RF Pour ces essais le klystron est monté sur une charge de puissance refroidie Mesures Pik Estimation du gradient pour AlphaX Journée PHILle 30 janvier 2013

Finalement il faut comparer toute les mesures obtenues avec celles d’un appareil étalonné (wattmètre de crête Agilent) Pwik : mesure au wattmètre Pik : mesure avec le système actuel Ps: ces résultats ont été obtenues sur le premier klystron testé qui a été depuis remplacé 7/Qualification de la source de puissance RF Journée PHILle 30 janvier 2013

7/Qualification de la source de puissance RF La puissance Pic est constante à 3,36MW+/-0,15% durant 1,5 heure HT=10,9kV Préampli à 300W on mesure Pic=1,89V Journée PHILle 30 janvier 2013

7/Qualification de la source de puissance HT=180kV Préampli 300W Vic=1,95V soit Pic=3,48MW On constate que le signal de la boucle du canon montre qu’une largeur RF de 3µs est un peu courte pour atteindre la valeur maximum du champ dans le canon Mesure RF sur le canon PHIN Journée PHILle 30 janvier 2013

7/Qualification de la source de puissance RF L’énergie du faisceau (mesurée par le dipôle) est le « juge de paix » pour connaître la puissance RF Avec : Rsh impédance shunt t temps d’injection du laser  temps de remplissage du canon r coefficient de réflexion du canon L longueur du canon T facteur de transit du canon Mesure sur le canon PHIN: Ainsi avec Vic =1,95V  Pic= 3,46MW Ez =47,3MV/m et En vaudrait 3,3MeV. La mesure de l’énergie max en déviant le faisceau a nécessité un courant Idip=-3,3A donc une energie faisceau de 2,97MeV. La différence peut provenir de l’instant d’injection du laser. Journée PHILle 30 janvier 2013

Etat du système RF en klystrons de récupération avec solénoïdes 2 coupleurs de mesure RF de récupération Guide d’onde de récupération (bride LIL) Isolateur de marque Ferritte Préampli de marque Nuclétudes Fenêtres Spinner Modulateur, Pilote, Boîtes C, Timing « home made » Etat du système RF en klystron testé (inutilisable), 1 klystron utilisable 2 coupleurs de mesure RF remplacés car mauvaise directivité (24keuros) Préampli de marque Nuclétudes en panne, réparé + achat d’une rechange (15keuros) Isolateur renvoyé deux fois pour réparation : fuite, claquage interne (20kEuros) Evolution Journée PHILle 30 janvier 2013

8/Conclusion -Certains éléments « récupérés » se sont montrés peu fiables (ex: le premier klystron à la cathode épuisée, des coupleurs de mesure défectueux…). Tous ces tests nous ont fait perdre un temps précieux avant de parvenir à une situation acceptable. -Nous n’avons aucun historique des klystrons, aucune idée de leur temps de vie. De plus ce type de klystron n’est plus fabriqué… -La nécessité d’acheter des éléments de rechange s’est révélée indispensable et cela a un coût. -Phil fonctionne en mode dégradé depuis la panne du circulateur (dix mois de perdus et énergie limitée à 3MeV). Cependant: -La source de puissance de PHIL est capable de délivrer au moins 14MW. -Circulateur Ferrite en attente de retour, l’énergie pourra à nouveau atteindre 6MeV. -La stabilité de la puissance est de l’ordre de la dispersion en énergie du faisceau d’électrons (+/-0,2%). -Un gros travail a été effectué pour réduire les bruits parasites. -Des évolutions peuvent être envisagées: *augmentation de la durée RF à 3,5µs *implantation d’un booster *choix d’un canon à 4,5 cellules Journée PHILle 30 janvier 2013

Conclusion personnelle Pour qui fait des mesures à PHIL: « la vie n’est pas cyrhose » (Daniel Pennac : La fée carabine) Mais la réussite est au bout de l’effort… Journée PHILle 30 janvier 2013